CN101143618A

CN101143618A - 一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构

Info

Publication number: CN101143618A
Application number: CNA2007101200753A
Authority: CN
Inventors: 王�琦; 胡永辉; 王龙; 楚天广; 谢广明
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2008-03-19

Abstract

本发明涉及一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：它包括主电机模块、辅电机模块和支架；主电机模块包括一主电机壳体，其上、下分别密封连接一顶盖和一底盖，顶盖上连接一压盖，一主电机设置在主电机壳体内，主电机的输出轴通过动密封装置穿设在顶盖和压盖中；辅电机模块包括密封连接的一上壳体和一下壳体，一顶盖和一压盖，一辅电机通过两支撑块固定在下壳体中，下壳体的两侧分别设置有一转轴孔，辅电机的输出轴连接到机器海豚的鳍肢上；支架的一端连接到辅电机模块一侧的转轴孔中，且主电机的输出轴穿过支架连接到辅电机模块另一侧的转轴孔中。本发明的机器海豚鳍肢驱动机构既能作为机器海豚的辅助推进机构，又能作为独立的水下推进机构。

Description

一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构

技术领域

本发明涉及一种机器海豚，特别是关于一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构。

背景技术

目前，随着机器人技术的快速发展，人们对鱼类游动机理研究的加深以及对海洋资源开发利用的需求扩大，水下仿生机器人的研究受到了越来越高的重视，国内外的一些学校、科研机构都在机器鱼的研究中取得了不错的成果。相对于鱼类的游动，海豚活动敏捷，游动迅速，在游动效率、减阻机制、机动性、声纳探测等方面都具有更好的性能，机器海豚在水下探测、水下侦查、仿生研究等领域都有更广泛的应用前景。机器海豚的研究是包含了生物学、水动力学、材料学、自动控制、机器人技术等多方面的交叉学科研究，目前人们对海豚游动模型及其特殊减阻机制的研究还不够深入，许多实际困难还没有得到很好的解决，机器海豚的研究工作还需要进一步的探索和实践。

不同于鱼类的游动，海豚游动的主要推力来自尾部的背腹式摆动，而鳍肢和背鳍除了辅助海豚的推进外，还在海豚的转弯、上升下潜、减速、维持身体平衡等动作中发挥重要作用。可见，机器海豚鳍肢机构有着重要的研究价值和实际意义，不仅能够辅助机器海豚实现灵活、稳定的游动，对于其他种类的水下机器人研究也有着很大的借鉴作用。目前，北京大学智能控制实验室已经成功研制出了Robodolphin-I和Robodolphin-II两版机器海豚，对模拟实现机器海豚的背腹式推进、转弯、上升下潜、姿态控制等动作进行了重要的探索，在鳍肢机构的研究中也取得了很多宝贵的实践经验。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种单独密封结构的具有两自由度的模块化机器海豚鳍肢驱动机构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：它包括主电机模块、辅电机模块和连接所述主、辅电机模块的支架；所述主电机模块包括一主电机壳体，其上、下分别密封连接一顶盖和一底盖，所述顶盖上连接一压盖，一主电机设置在所述主电机壳体内，所述主电机的输出轴通过动密封装置穿设在所述顶盖和压盖中；所述辅电机模块包括密封连接的一上壳体和一下壳体，所述上壳体的顶部密封连接一顶盖，所述顶盖上连接一压盖，一辅电机通过两支撑块固定在所述下壳体中，所述下壳体的两侧分别设置有一转轴孔，所述辅电机的输出轴通过动密封装置穿过所述顶盖和压盖，连接到机器海豚的鳍肢上；所述支架的一端通过一压盖将一支撑轴连接到所述辅电机模块一侧的转轴孔中，所述支架的另一端固定在所述主电机模块上，且所述主电机的输出轴穿过所述支架连接到所述辅电机模块另一侧的转轴孔中。

所述主、辅模块的壳体上分别设置有一透明材料制成的透视窗。

所述主模块壳体与顶盖和底盖，以及所述辅模块上、下壳体之间，上壳体与顶盖之间采用O型密封圈密封连接。

所述动密封机构包括一被密封的输出轴，将两个轴承的内圈分别设置在所述输出轴的轴肩上，一顶盖穿过所述输出轴压住其中一所述轴承的外圈，一个压盖穿过所述输出轴压住另一轴承的外圈，且所述压盖通过螺钉固定在所述顶盖上，在所述两轴承之间填充有密封用的黄油层。

所述主电机壳体，辅电机模块上、下壳体，支架、压盖、顶盖、底盖和输出轴均使用轻质铝合金材料。

控制指令通过微控制器处理后传输给电机驱动模块，微控制器采用AVR系列高档8位Atmega162芯片和6N137芯片。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于设置了主辅两个模块，每个模块控制一个自由度，主电机输出轴带动辅电机模块整体做沉浮运动，辅电机输出轴带动鳍肢做俯仰运动，从而实现沉浮运动与俯仰运动的协调控制。2、本发明的主、辅模块中都有驱动电机，本发明在辅电机模块外围设置支架，用于连接和保护主辅模块，并采用静密封和动密封结构结合，使每个模块的密封相对独立可靠，防水性能提高。3、本发明在主、辅模块上分别设置透明材料做成透视窗，因此可以方便观察电机运行情况和密封状态。4、本发明的机器海豚鳍肢驱动机构既能作为机器海豚的辅助推进机构，又能作为独立的水下推进机构。通过对两个自由度的协调控制，能够实现机器海豚的推进、转弯、制动、上升下潜及其他姿态控制，具有良好地机动性能和游动效率，为水下机器人的设计和应用提供了一种可行的解决方案。本发明独立模块化的设计思路方便了机构的拆装、维护，单个模块的失效不会影响到机构的全部运行失效。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明主电机模块的半剖立体示意图

3是本发明辅电机模块的半剖立体示意图

图4是本发明辅电机模块下壳体示意图

图5是本发明支架结构示意图

图6是本发明动密封结构示意图

图7是本发明控制方法框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述(由于左、右鳍肢机构的机械结构完全对称，现仅以其中一个鳍肢机构为例进行说明)。

如图1所示，本发明一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构由主电机模块1、辅电机模块2、支架3、辅电机透视窗4和主电机透视窗5五部分组成。本发明的输出端连接在机器海豚鳍肢上(图中未示出)。辅电机模块2固定在支架3上并与主电机模块1的输出轴连接；主电机透视窗4和辅电机透视窗5分别安装在主电机模块1和辅电机模块2上，用于从外侧观察各自机构的运行和密封情况。

如图2所示，主电机模块1控制机器海豚鳍肢的沉浮运动，主要包括主电机壳体6、底盖7、顶盖8、压盖9、主电机10、转盘11和输出轴12。主电机壳体6与底盖7通过螺钉13连接，并使用O型密封圈14密封。主电机壳体6与顶盖8通过螺钉15连接，并使用O型密封圈16密封。顶盖8与压盖9通过螺钉17连接。主电机壳体6中放入主电机10，主电机10与底盖7通过螺钉18连接。主电机壳体6上设置有出线孔19，引出的电源线与信号线，连接到相应的控制电路板。主电机壳体6上设置有连接支架3的通孔20。主电机10的输出端转盘11连接输出轴12，输出轴12连接辅电机模块2，当主电机10接到来自控制系统的驱动信号启动时，通过转盘11和输出轴12带动辅电机模块2转动，实现机器海豚鳍肢的沉浮运动。

如图3、图4所示，辅电机模块2控制机器海豚鳍肢的俯仰运动，主要包括上壳体21、下壳体22、顶盖23、压盖24、支撑块25、辅电机26、转盘27、输出轴28。上壳体21与下壳体22通过螺钉29连接，并使用O型密封圈30密封。上壳体21与顶盖23通过螺钉31连接，并使用O型密封圈32密封。顶盖23与压盖24通过螺钉33进行连接。下壳体22内部设置有一对凸柱50，一对支撑块25上设置有通孔51、52，通过螺钉34将支撑块25固定在凸柱50上，辅电机26的两端通过螺钉35固定在支撑块25上。辅电机26的输出端转盘27连接输出轴28，输出轴28连接到机器海豚的一个鳍肢。下壳体22中设置有出线孔36，引出电源线和信号线，连接到相应的控制电路板。下壳体22的两端分别设置一转轴孔37、38，其中转轴孔37用于与主电机输出轴12连接，转轴孔38用于与支架3连接。当辅电机26接到来自控制系统的驱动信号启动时，通过转盘27和输出轴28带动机器海豚的鳍肢做俯仰运动。

如图5所示，支架3的一端设置有一通孔39，一支撑轴40穿过通孔39插设在辅电机模块2的转轴孔38中(转轴孔38中设置轴承)，再将一压盖41通过螺钉42连接在支架3上，压紧支撑轴39。支架3的另一端设置有一通孔43，主电机10的输出轴12穿过通孔43插设在转轴孔37中，使主电机模块1的输出轴12转动能够带动辅电机模块2整体转动。支架3上的螺纹孔44通过螺钉与主电机壳体6上的通孔20连接，实现支架3与主电机模块1的固定。支架3上的沉头孔45用于将整个鳍肢驱动机构固定在机器海豚体或其它机械结构上。主电机模块1的输出轴12带动辅电机模块2整体转动，实现鳍肢的沉浮运动；辅电机模块2的输出轴28直接带动鳍肢做俯仰运动，进而实现对鳍肢的两个自由度的驱动控制。

上述实施例中，本发明的主、辅电机模块1、2的输出轴与顶盖和压盖之间采用动密封结构(主、辅电机10、26的动密封结构相同，下面以主电机10的密封结构为例说明)。如图6所示，本发明动密封结构包括台阶式主电机10的输出轴12、顶盖8、压盖9、轴承46和轴承47。输出轴12下端与主电机10的转盘11连接，上端从主电机壳体6中穿出，在输出轴12的下端轴肩48处放置一轴承46，在输出轴12上端与顶盖8的顶部平齐处放置一轴承47。顶盖8穿过输出轴12压在轴承46的外圈，压盖9穿过输出轴12压在轴承47的外圈。顶盖8通过螺钉15与主电机壳体6固定，并使用O型密封圈16密封；压盖9通过螺钉17与顶盖8固定；在压盖9、顶盖8、输出轴12、两轴承46、47围成的空腔中填充有密封用黄油49，这样，在输出轴12转动时，就形成了各部件之间的动密封。

如图7所示，本发明控制系统中，通讯模块接收上级控制指令之后，将接收到的指令发送给微控制器，微控制器对指令进行处理后通过电机驱动模块向主电机和辅电机发送电机驱动数据PWM信号，主辅电机上的两个舵机接收到PWM信号后将按照各自的指令进行运动，从而实现整个鳍肢机构的运动控制。主电机10和辅电机26均采用Hitec的HSR5995-TG舵机，微控制器采用AVR系列高档8位单片机Atmega162作为控制芯片，可提供足够的实时运算能力，使用6N137芯片对控制电路的动力电源和逻辑电源进行光耦隔离，避免电机工作时动力电源对逻辑电源的干扰，保证电路运行的稳定性。

海豚鳍肢机构的主电机壳体6，辅电机模块上、下壳体21、27，支架3，压盖9、35，顶盖8、32和输出轴12、28均使用轻质铝合金材料，透视窗4、5采用透明的有机玻璃材料做成。

Claims

1.一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：它包括主电机模块、辅电机模块和连接所述主、辅电机模块的支架；

所述主电机模块包括一主电机壳体，其上、下分别密封连接一顶盖和一底盖，所述顶盖上连接一压盖，一主电机设置在所述主电机壳体内，所述主电机的输出轴通过动密封装置穿设在所述顶盖和压盖中；

所述辅电机模块包括密封连接的一上壳体和一下壳体，所述上壳体的顶部密封连接一顶盖，所述顶盖上连接一压盖，一辅电机通过两支撑块固定在所述下壳体中，所述下壳体的两侧分别设置有一转轴孔，所述辅电机的输出轴通过动密封装置穿过所述顶盖和压盖，连接到机器海豚的鳍肢上；

所述支架的一端通过一压盖将一支撑轴连接到所述辅电机模块一侧的转轴孔中，所述支架的另一端固定在所述主电机模块上，且所述主电机的输出轴穿过所述支架连接到所述辅电机模块另一侧的转轴孔中。

2.如权利要求1所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述主、辅模块的壳体上分别设置有一透明材料制成的透视窗。

3.如权利要求1所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述主模块壳体与顶盖和底盖，以及所述辅模块上、下壳体之间，上壳体与顶盖之间采用O型密封圈密封连接。

4.如权利要求2所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述主模块壳体与顶盖和底盖，以及所述辅模块上、下壳体之间，上壳体与顶盖之间采用O型密封圈密封连接。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述动密封机构包括一被密的输出轴，将两个轴承的内圈分别设置在所述输出轴的轴肩上，一顶盖穿过所述输出轴压住其中一所述轴承的外圈，一个压盖穿过所述输出轴压住另一轴承的外圈，且所述压盖通过螺钉固定在所述顶盖上，在所述两轴承之间填充有密封用的黄油层。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述主电机壳体，辅电机模块上、下壳体，支架、压盖、顶盖、底盖和输出轴均使用轻质铝合金材料。

7.如权利要求5所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：所述主电机壳体，辅电机模块上、下壳体，支架、压盖、顶盖、底盖和输出轴均使用轻质铝合金材料。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：控制指令通过微控制器处理后传输给电机驱动模块，微控制器采用AVR系列高档8位Atmega162芯片和6N137芯片。

9.如权利要求5所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：控制指令通过微控制器处理后传输给电机驱动模块，微控制器采用AVR系列高档8位Atmega162芯片和6N137芯片。

10.如权利要求6所述的一种模块化机器海豚鳍肢驱动机构，其特征在于：控制指令通过微控制器处理后传输给电机驱动模块，微控制器采用AVR系列高档8位Atmega162芯片和6N137芯片。